煤矿电力监控系统的研究与分析

张 楠,刘 伟

(山西大同大学 机电工程学院,山西 大同 037009)

煤矿工业在我国能源领域仍占据主导地位,伴随着采煤方式机械自动化程度的不断提高,煤矿供电系统的稳态运行及监测监控的时效性显得至关重要。但是，煤矿井下供电及电气设备的故障问题时有发生,究其原因,主要是安全问题的重视力度不够，供用电设施的陈旧、类别的繁杂，以及对煤矿井下电力系统的监测监控不及时,无法得到一些设备运行方面的可靠信息[1-2]。综上,煤矿需要健全完善的电力监测监控系统,实现对各电力运行参数的有效监测监控,使整个系统更加现代化、智能化。

1 系统整体结构设计

煤矿井下的电力监控系统主要有三层结构[3-5]。第一层是电力监控主站。第二层由煤矿井下部分的通信计算机设备以及网络设施组成,通过通信方式完成信息的交互共享。通信分站的主要目的是为了完成上级主站与下级监测站之间的信息交互,并基于以太网的形式,采取ARM微处理器进行数据通信,在底层监测使用RS-485来进行原始监测数据的传输。总而言之,通信分站整体上完成对信息数据的转换工作。第三层是综合保护信息采集装置，主要采用数字化的手段,实时对井下各类测量点位的电气参数进行采集,同时具备各类综合性保护功能。煤矿井下电力监控系统整体结构如图1所示。

图1 煤矿井下电力监控系统整体结构Fig.1 Structure of underground power monitoring system in coal mines

如图1所示,电力监控的设计主要是为了对煤矿井下各个运行设备进行有效的监测以及监控,并进行保护和管理,一定程度上提高了生产效率以及事故预警的能力。

2 系统的硬件设计

2.1 电力监控系统地面主站的硬件设计

煤矿电力监控系统地面主站在硬件方面主要由数据服务器、监控站台和通讯服务器三部分组成。而地面主站系统主要采用B/S/C(Browse/Sever/Client),亦即浏览/服务/用户的三层结构形式[6-7],如图2所示。

图2 地面主站系统的基本结构Fig.2 Basic structure of ground master station system

2.2 电力监控系统地面分站的硬件设计

对于整个系统的通信分站部分而言,为了完成承上启下的信息交互功能。拟采用“ARM+以太网控制芯片”的设计方案,通过ARM内嵌设置再加之TCP/IP等基本的通信协议来有效地完成RS-485、CAN总线与以太网间的通信。另外,分站系统硬件方面的框架结构主要由ARM处理器、供电电源电路、以太网电路以及各类转换接口等组成。分站亦可进行一些通信协议的转换,这在一定程度上改善了系统整体部分在兼容方面的性能,通信分站系统的硬件基本结构如图3所示。

图3 通信分站系统的硬件基本结构Fig.3 Basic hardware structure of communication substation system

2.3 电力监控系统综合保护信息采集装置的硬件方案

电力监控系统的综合保护信息采集装置主要采集底层信号,在电路采集和控制部分以光电隔离的形式实现对井下强电磁干扰的抑制。与此同时,使用“FPGA+ARM”结构,由FPGA模块对数据采集控制,用ARM完成数据信息之间的通讯及各个操作命令之间的执行和解释,二者分工合作[8]。井下电力监控综保装置整体方案框架如图4所示。

图4 井下电力监控综保装置整体方案框架Fig.4 Overall framework of underground power monitoring and comprehensive protection device

图4中,光电隔离模块的对接,不仅对后方电路进行保护,同时也起到了抗干扰以及隔离的作用。对于A/D的采样工作由FPGA模块控制,一定层面上提高了信号采集的准确度。另外,主控制器采用32位模式以ARM为内核芯片,目的是为了通信以及命令之间的执行解释,通过内置的操作系统完成信息通讯的功能。总之,整个综合保护信息采集装置可以有效地完成井下各类电气参量以及开关模拟量的采集、控制和监测。

3 系统的软件设计

煤矿电力监控系统的通信分站作为整个煤矿运行系统的关键部分之一,主要是为了能够有效地完成地面主监控站与底层监测分站及保护装置之间的信息交换,达到及时传递信息的目的,进而对系统出现的一些故障、异常信息进行及时有效的处理与分析。

3.1 电力监控系统地面主站的软件设计

在地面主站的系统软件方面分为系统型和应用型两大类。系统型由操作类部分和数据库等构成；而应用型则是基于VC6.0运行环境,涵盖应用程序模块、通讯模块和组态工具等。地面主站系统的基本功能结构如图5所示。

图5 地面主站系统的基本功能结构Fig.5 Basic functional structure of ground master station system

在数据采集上,使用MODBUS等通讯协议,有效地提供了动态性的通信接口、组织网络以及相关的数据信息点等实用功能。通讯的前置子系统与通信的管理机设备进行信息交互,实时地更新数据库,同时也为人机监控画面储备了一定的数据,而且通讯的前置子系统和内存数据库之间的通信均是基于以太网的基础,也使通讯之间具备了容错效能、足够容量以及相对高效率的传输速率。

在组态设计方面,对于本系统来说,其功能组态主要由三部分内容构成：一是人机监控画面的组态；二是数据报表的组态；三是通讯结构和数据信息表的组态。在监控画面所使用的组态上,选用标准化的图元结构、仪表盘以及函数曲线等相关的图形元素,结合人为地对于所设计元件的颜色定义等,设计建立一个实时动态反映各电气设备及元件的运行状态画面；同时，提供基本的人机交互操作画面。在数据报表的组态层面上,其操作过程与Excel的操作极为类似,操作用户可以根据当下的实际需求来设计规划实际的契合内容,同时,报表的组态也提供最值以及平均值等多种常用的统计功能。通讯结构和数据信息表的组态主要进行一些通信接口参数的整定、通信介质的选择以及相关数据表的属性设置等。

地面主站软件方面的整体框架主要由通讯管理、实时监控画面、组态工具、数据库和参数库管理共同构成一种监控的组态平台,有效地完成对井下采集信息的及时反映与处理,如图6所示。

图6 地面主站系统的基本结构框架Fig.6 Basic structural framework of ground master station system

3.2 电力监控系统通信分站的软件设计

在通信协议层面使用uIP协议,支持多个连接模式,占用内存较少,具有独立性,节约空间。uIP协议与其他层间的关系如图7所示。

图7 uIP协议和其他层之间的关系Fig.7 Relationship between uIP protocol and other levels

在RS-485与以太网之间转换的网络层面采用上行模式和下行模式,并基于μC/OS-Ⅱ系统之上,使用TCP协议传输。在上行模式中,RS-485接收到数据进入中端,并以uip-periodic()来进行通信,最终完成传送;在下行模式中,网络端口中断并接收到信息之后,分析信息数据向RS-485发送,其大致流程如图8所示。

图8 RS-485和以太网之间的转换大致流程Fig.8 Conversion process between RS-485 and Ethernet

在uIP事件处置方面,不断地重复调取uip-polling()来处理事件内容,具体流程框架如图9所示。

对分站主监控系统的软件运行流程如图10所示,主要涵盖上电自检、显示界面以及通信处理等方面的功能。

中断处理运行的时候，经由事件管理器之中的定时器来进行触发动作,并且将次序设置为最高级,以避免被其他任务误入。主监控中断处理的流程如图11所示。中断处理主要是为了完成数据信息的采集处理、以太网的通讯以及故障状态的判别等。

当分站系统收到下层站台或者上层主站站台的通讯信号时,通讯接口会按照协议的规定发送信号,主监控系统通信模块的流程如图12所示。可以看出,通信接口的控制程序采取上下双层结构,上层部分作为即时检测信号接收的发送标志,下层部分则负责其他站台数据信息的接收,双层结构分工合作,完成通讯数据的接收与发送。

图9 uIP基本事件的处理流程Fig.9 Processing flow of uIP basic events

图10 主监控系统软件的流程Fig.10 Software process of master monitoring system

图11 主监控中断处理的流程Fig.11 Interrupt processing flow of master monitoring system

图12 主监控系统通信模块的流程Fig.12 Process of communication module of master monitoring system

4 结论

本文设计的煤矿电力监控系统分为主站、从站和底层监控分站三个部分。监控主站的硬件部分主要涵盖数据、通信以及监控模块的设计。底层监控分站的硬件设计主要采用“FPGA+ARM”双CPU设计理念。监控主站软件方面以VC6.0为工作环境,通过组态软件实现对下级上传的数据读取,在通信分站的硬件中,底层监控分站软件方面以μC/OS-Ⅱ为工作环境,依靠RS-485和以太网进行有效地信息传送。综上，对煤矿井下电力监控系统的硬件和软件方面进行了基本的框架结构设计,从理论层面上实现了对井下电力网络监控监测系统的研究与分析。